学术简报｜如何实时有效地监测全方向无线充电的负载位置
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福州大学电气工程与自动化学院的研究人员陈宏亮、林苏斌，在2019年第8期《电气技术》杂志上撰文（论文标题为“全方向无线充电负载位置前端监测”），为了解决目前全方向无线充电后端监测模式控制复杂、损耗大的问题，本文采用了一种锥形线圈排布方式，通过理论分析，提出了基于sepic电路的最大功率跟踪策略。
在此基础上，进一步构建了基于自适应控制算法的负载位置前端监测系统，通过发射侧的信号采集，有效实现对负载位置的实时准确监测；最后设计了实验样机，验证了系统的可行性。
相对于有线充电，无线充电更便捷，安全性也更高。全方向无线充电是小功率无线充电领域的发展趋势，也是目前企业界和学术界研究的热点。
文献[2]介绍了一种典型的无线充电模型，文献[3-5]提出了优化无线充电线圈的方法，文献[6]提出了一种优化补偿网络的方法，但均未对全方向无线充电进行具体的研究。文献[7]利用旋转发射磁场来实现全方向无线充电，系统可以实时跟踪负载的位置，但控制电机的引入无疑增大了系统的复杂度，使体积和重量也均有所增加，同时机械结构降低了系统寿命。
文献[8]提出了采用两个发射线圈正交的结构，通过控制线圈中的相位构造旋转磁场来实现全方向，但未对磁场进行精准定位，且二维线圈结构自由度不高，使输出功率和效率受限。文献[9]在二维正交线圈基础上提出了采用单一闭合线圈结构，在XY平面内的确提高了传输距离和效率，但在Z方向不具有自由度。
文献[10]通过遗传算法实现了对负载与互感的识别，然而未对全方向进行深入分析。文献[11]采用多个发射线圈切换，增加了发射侧的自由度，提高了平面内的抗偏移能力，不过没有验证在全方向上的传输效果。
麻省理工学院在文献[12]提出了基于“波束成形”的全方向无线充电控制算法，通过调整6个平放的平面螺旋形发射线圈的电流幅值和相位来实时跟踪负载位置的变化，使磁场精准定位，然而由于负载的监测需要接收侧与发射侧进行无线通信，因此增加了系统控制的复杂度，并且无线通信的损耗也影响了系统效率，不适用于小功率的无线充电系统。
香港大学许树源团队成果颇丰，在文献[13-16]中提出了三维正交线圈结构，采用分时复用，调整发射线圈中的电流幅值相位来监测负载和互感，但分时复用无疑降低了充电速度，同时对互感和负载还需要进行后端监测。
文献[17]提出了一种负载和互感的前端监测系统，但是要求采用发射端串联-接收端串联的补偿方式，并且不能工作在谐振频率附近，使得系统输出功率大大降低。
本文针对上述现状，在对全方向无线充电系统进行综合分析的基础上，采用了一种根据负载位置自适应选通发射线圈，通过判定每个发射线圈中的电流幅值大小即可准确判断负载位置，进而导通相应线圈。
本文分4节阐述：第1节提出了一种全方向无线充电线圈方案，并对发射线圈组和接收线圈进行建模分析，计算了不同发射线圈对接收线圈的互感；第2节根据阻抗匹配的原理，提出了基于sepic电路的最大功率跟踪（maximum power point tracking, MPPT）策略；第3节提出了基于MPPT的负载位置前端监测系统，仅通过监测发射侧电流的幅值即可判断负载位置，并导通相应发射线圈；第4节制作了实验样机，测试效果良好。
图7 前端控制电路图
图8 前端控制流程图
本文针对目前全方向无线充电后端监测方式的局限性，构建了基于MPPT的前端监测控制系统。首先监测不同发射线圈的电流幅值；接着判定电流幅值大小，通过自适应算法选通能实现最大功率输出的线圈；最后通过实验验证了该前端监测控制系统的可行性。